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1、 光刻胶光刻胶 一、光刻胶的类型一、光刻胶的类型 凡是在能量束（光束、电子束、离子束等）的照射下，以凡是在能量束（光束、电子束、离子束等）的照射下，以交联反应为主的光刻胶称为交联反应为主的光刻胶称为负性光刻胶负性光刻胶负性光刻胶负性光刻胶，简称负胶。，简称负胶。 凡是在能量束（光束、电子束、离子束等）的照射下，以凡是在能量束（光束、电子束、离子束等）的照射下，以降解反应为主的光刻胶称为降解反应为主的光刻胶称为正性光刻胶正性光刻胶正性光刻胶正性光刻胶，简称正胶。，简称正胶。1 光刻胶的类型光刻胶的类型 光刻胶也称为光致抗蚀剂（光刻胶也称为光致抗蚀剂（Photoresist，P. R.）。）。12
2、 1、灵敏度、灵敏度 灵敏度的定义灵敏度的定义 单位面积上入射的使光刻胶全部发生反应的最小光能量或单位面积上入射的使光刻胶全部发生反应的最小光能量或最小电荷量（对电子束胶），称为光刻胶的灵敏度，记为最小电荷量（对电子束胶），称为光刻胶的灵敏度，记为 S ，也就是前面提到过的也就是前面提到过的 D100 。S 越小，则灵敏度越高。越小，则灵敏度越高。 通常负胶的灵敏度高于正胶。通常负胶的灵敏度高于正胶。 灵敏度太低会影响生产效率，所以通常希望光刻胶有较高灵敏度太低会影响生产效率，所以通常希望光刻胶有较高的灵敏度。但灵敏度太高会影响分辨率。的灵敏度。但灵敏度太高会影响分辨率。 2 光刻胶的特性光刻
3、胶的特性3 2、分辨率、分辨率 下面讨论分辨率与灵敏度的关系。当入射电子数为下面讨论分辨率与灵敏度的关系。当入射电子数为 N 时，时，由于随机涨落，实际入射的电子数在由于随机涨落，实际入射的电子数在 范围内。为保证范围内。为保证出现最低剂量时不少于规定剂量的出现最低剂量时不少于规定剂量的 90%，也即，也即 。由此可得由此可得 。因此对于小尺寸曝光区，必须满足。因此对于小尺寸曝光区，必须满足 光刻工艺中影响分辨率的因素有：光源、曝光方式和光刻光刻工艺中影响分辨率的因素有：光源、曝光方式和光刻胶本身（包括灵敏度、对比度、颗粒的大小、显影时的溶胀、胶本身（包括灵敏度、对比度、颗粒的大小、显影时的溶
4、胀、电子散射等）。通常正胶的分辨率要高于负胶。电子散射等）。通常正胶的分辨率要高于负胶。4式中，式中，Lmin 为最小尺寸，即分辨率。可见，若灵敏度越高（即为最小尺寸，即分辨率。可见，若灵敏度越高（即 S 越小），则越小），则 Lmin 就越大，分辨率就越差。就越大，分辨率就越差。 例如，负性电子束光刻胶例如，负性电子束光刻胶 COP 的的 S = 0.310 -6C/ /cm2，则其，则其 Lmin = 0.073 m 。若其灵敏度提高到。若其灵敏度提高到 S = 0.0310 -6C/ /cm2 ，则其，则其 Lmin 将增大到将增大到 0.23 m 。 5 3、对比度、对比度 对比度是图
5、中对数坐标下对比度曲线的斜率，表示光刻胶对比度是图中对数坐标下对比度曲线的斜率，表示光刻胶区分掩模上亮区和暗区的能力的大小，即对剂量变化的敏感程区分掩模上亮区和暗区的能力的大小，即对剂量变化的敏感程度。灵敏度曲线越陡，度。灵敏度曲线越陡，D0 与与 D100 的间距就越小，则的间距就越小，则 就越大，就越大，这样有助于得到清晰的图形轮廓和高的分辨率。一般光刻胶的这样有助于得到清晰的图形轮廓和高的分辨率。一般光刻胶的对比度在对比度在 0.9 2.0 之间。对于亚微米图形，要求对比度大于之间。对于亚微米图形，要求对比度大于 1。 通常正胶的对比度要高于负胶。通常正胶的对比度要高于负胶。D0D100
6、 对比度的定义为对比度的定义为6 光进入光刻胶后，其强度按下式衰减光进入光刻胶后，其强度按下式衰减 式中，式中， 为光刻胶的光学吸收系数为光刻胶的光学吸收系数 。设。设 TR 为光刻胶的厚度为光刻胶的厚度 ，则可定义光刻胶的则可定义光刻胶的 光吸收率光吸收率光吸收率光吸收率 为为 可以证明对比度与光刻胶厚度的关系是可以证明对比度与光刻胶厚度的关系是 是无量纲常数，可见减薄胶膜厚度有利于提高对比度和分辨率。是无量纲常数，可见减薄胶膜厚度有利于提高对比度和分辨率。 7 另一个与对比度有关的光刻胶性能指标是另一个与对比度有关的光刻胶性能指标是 临界调制传输函临界调制传输函临界调制传输函临界调制传输函
7、数数数数 CMTFCMTF ，代表在光刻胶上获得图形所必须的最小光调制传输，代表在光刻胶上获得图形所必须的最小光调制传输函数，其定义为函数，其定义为 利用对比度的公式，可得利用对比度的公式，可得 CMTF 的典型值为的典型值为 0.4 。如果实像的。如果实像的 MTF 小于小于 CMTF ，则其图像就不能被分辨；如果实像的则其图像就不能被分辨；如果实像的 MTF 大于大于 CMTF，就有，就有可能被分辨。可能被分辨。 3 临界调制传输函数临界调制传输函数 8 4 光刻胶材料光刻胶材料 1、负性光刻胶、负性光刻胶 主要有聚肉桂酸系（聚酯胶）和环化橡胶系两大类，前者主要有聚肉桂酸系（聚酯胶）和环化
8、橡胶系两大类，前者以柯达公司的以柯达公司的 KPR 为代表，后者以为代表，后者以 OMR 系列为代表。系列为代表。 2、正性光刻胶、正性光刻胶 主要以重氮醌为感光化合物，以酚醛树脂为基体材料。最主要以重氮醌为感光化合物，以酚醛树脂为基体材料。最常用的有常用的有 AZ 1350 系列。系列。正胶的主要优点是分辨率高，正胶的主要优点是分辨率高，正胶的主要优点是分辨率高，正胶的主要优点是分辨率高，缺点是缺点是缺点是缺点是灵敏度、耐刻蚀性和附着性等较差。灵敏度、耐刻蚀性和附着性等较差。灵敏度、耐刻蚀性和附着性等较差。灵敏度、耐刻蚀性和附着性等较差。 光刻胶通常有三种成分：感光化合物、基体材料光刻胶通常
9、有三种成分：感光化合物、基体材料 和和 溶剂。溶剂。在感光化合物中有时还包括增感剂。在感光化合物中有时还包括增感剂。9 3、负性电子束光刻胶、负性电子束光刻胶 为含有环氧基、乙烯基或环硫化物的聚合物。最常用的是为含有环氧基、乙烯基或环硫化物的聚合物。最常用的是COP 胶，典型特性：灵敏度胶，典型特性：灵敏度 0.3 0.4 C/cm2（加速电压（加速电压 10KV 时）、分辨率时）、分辨率 1.0 m 、对比度、对比度 0.95。限制分辨率的主要因素是。限制分辨率的主要因素是光刻胶在显影时的溶胀。光刻胶在显影时的溶胀。 4、正性电子束光刻胶、正性电子束光刻胶 主要为甲基丙烯甲酯、烯砜和重氮类这
10、三种聚合物。最常主要为甲基丙烯甲酯、烯砜和重氮类这三种聚合物。最常用的是用的是 PMMA 胶，典型特性：灵敏度胶，典型特性：灵敏度 40 80 C/cm2（加速电（加速电压压 20 KV 时）、分辨率时）、分辨率 0.1 m 、对比度、对比度 2 3 。 PMMA 胶的胶的主要优点是分辨率高。主要优点是分辨率高。主要优点是分辨率高。主要优点是分辨率高。主要缺点是灵敏度低，此外在高温下易主要缺点是灵敏度低，此外在高温下易主要缺点是灵敏度低，此外在高温下易主要缺点是灵敏度低，此外在高温下易流动，耐干法刻蚀性差。流动，耐干法刻蚀性差。流动，耐干法刻蚀性差。流动，耐干法刻蚀性差。10 5 正胶的典型反
11、应正胶的典型反应 一、光化学反应一、光化学反应 化学反应速度化学反应速度 k 可表示为可表示为 感光物质的电子在未曝光时处于基态感光物质的电子在未曝光时处于基态 S0 ，基态的反应激活，基态的反应激活能能 EA 大大 ，因此反应很慢。曝光后，感光物质的电子处于激发，因此反应很慢。曝光后，感光物质的电子处于激发态态 S1 、S2 、S3 等，等， 激发态的激发态的 EA 小，因此反应变快。小，因此反应变快。式中，式中，A 、R 为常数，为常数，T 为绝对温度，为绝对温度，EA 为化学反应激活能，为化学反应激活能，随电子状态的不同而不同。随电子状态的不同而不同。EA 越小，则在同样的温度下反应速越
12、小，则在同样的温度下反应速度越快。度越快。11 二、势能曲线二、势能曲线 可以借助于感光物质的势能曲线来讨论光化学反应。下图可以借助于感光物质的势能曲线来讨论光化学反应。下图是重氮基萘的是重氮基萘的 RN - N2 切断反应的势能曲线。切断反应的势能曲线。S0S1S2S3T188Kcal72KcalEA(S1) = 16KcalEA(S0) = 38KcalRN 与与 N2 的间距的间距势势能能12 感光分子吸收感光分子吸收 = 365 nm 的光能（的光能（ 72 Kcal）后，电子从基）后，电子从基态态 S0 跃迁到第一激发态跃迁到第一激发态 S1 ，激活能由，激活能由 EA(S0) =
13、38 Kcal 降为降为 EA(S1) = 16 Kcal ，反应速度加快。，反应速度加快。 感光分子吸收感光分子吸收 = 300 nm 的光能（的光能（88 Kcal）后，电子跃迁）后，电子跃迁到第二激发态到第二激发态 S2 ，此态的谷底势能恰好与，此态的谷底势能恰好与 S1 态当态当 RN-N2 分解分解时的势能相当，且时的势能相当，且 S2 与与 S1 态的曲线在图左侧有相交之处，因此态的曲线在图左侧有相交之处，因此电子可从电子可从 S2 态跃迁到态跃迁到 S1 态并立即反应。所以用态并立即反应。所以用 = 300 nm 的光的光曝光比用曝光比用 = 365 nm 的反应速度快。的反应速
14、度快。13 在重氮基萘中还存在着三重态在重氮基萘中还存在着三重态 T1 、T2 、T3 等。由等。由 T1 态的态的曲线可见，曲线可见，RN-N2 的距离越远，分子的势能越低，所以处于的距离越远，分子的势能越低，所以处于 T1 态的分子将立即发生反应而不需激活能。由于态的分子将立即发生反应而不需激活能。由于 T1 态曲线与所有态曲线与所有单重激发态的曲线在谷底附近相交，所以进入单重激发态的电单重激发态的曲线在谷底附近相交，所以进入单重激发态的电子还可以通过向子还可以通过向 T1 态跃迁而使感光物分子立即发生化学反应，态跃迁而使感光物分子立即发生化学反应，从而使反应速度大大加快。这种作用称为从而
15、使反应速度大大加快。这种作用称为 “三重态增感三重态增感” 。T1 三、增感剂及其作用三、增感剂及其作用14 6 光刻胶的涂敷和显影光刻胶的涂敷和显影 本节简要介绍光刻工艺中除曝光以外的工序。本节简要介绍光刻工艺中除曝光以外的工序。 1、脱水烘烤、脱水烘烤 目的是去除硅片表面吸附的水分。目的是去除硅片表面吸附的水分。 2、增粘处理、增粘处理 在烘烤后的硅片表面涂一层在烘烤后的硅片表面涂一层 六甲基二硅亚胺（六甲基二硅亚胺（HMDS），），目的是增加硅片表面与光刻胶的粘附性。可采用蒸汽涂布法，目的是增加硅片表面与光刻胶的粘附性。可采用蒸汽涂布法，也可采用旋涂法。也可采用旋涂法。15 3、涂胶、涂
16、胶 一般采用一般采用 旋涂法。涂胶的关键是控制胶膜的厚度与膜厚的旋涂法。涂胶的关键是控制胶膜的厚度与膜厚的均匀性。胶膜的厚度决定于胶的粘度和旋转速度。均匀性。胶膜的厚度决定于胶的粘度和旋转速度。 例：例：例：例：转速转速 5000 r/min，时间，时间 30 sec，膜厚，膜厚 1.0 m 。 4、前烘（软烘）、前烘（软烘） 目的是去除胶中的大部分溶剂和稳定胶的感光特性。目的是去除胶中的大部分溶剂和稳定胶的感光特性。 5、曝光、曝光16 6、显影、显影 将曝光后的硅片放到显影液中。对于负胶，通过显影溶解将曝光后的硅片放到显影液中。对于负胶，通过显影溶解掉未曝光区的胶膜；对于正胶，通过显影溶解
17、掉曝光区的胶膜。掉未曝光区的胶膜；对于正胶，通过显影溶解掉曝光区的胶膜。几乎所有的正胶都使用碱性显影液，如几乎所有的正胶都使用碱性显影液，如 KOH 水溶液。水溶液。 显影过程中胶膜会发生膨胀。正胶的膨胀可以忽略，而负显影过程中胶膜会发生膨胀。正胶的膨胀可以忽略，而负胶的膨胀则可能使图形尺寸发生变化。胶的膨胀则可能使图形尺寸发生变化。 显影过程对温度非常敏感。显影过程可影响胶的对比度，显影过程对温度非常敏感。显影过程可影响胶的对比度，从而影响胶的剖面形状。从而影响胶的剖面形状。17 9、去胶、去胶 8、刻蚀、刻蚀 7、后烘（硬烘、坚膜）、后烘（硬烘、坚膜） 目的是使胶膜硬化，提高其在后续工序中
18、的掩蔽性。目的是使胶膜硬化，提高其在后续工序中的掩蔽性。18 7 二级曝光效应二级曝光效应 在选择光刻胶时，必须考虑它的吸收谱，以及在特定波长在选择光刻胶时，必须考虑它的吸收谱，以及在特定波长下的光学吸收系数下的光学吸收系数。 还要考虑基体材料对光的吸收。例如酚醛树脂就对深紫外还要考虑基体材料对光的吸收。例如酚醛树脂就对深紫外光有很强的吸收。被基体材料吸收的光到达不了感光化合物，光有很强的吸收。被基体材料吸收的光到达不了感光化合物，从而影响光刻胶的灵敏度。从而影响光刻胶的灵敏度。可知，当可知，当太大时，则只有胶的顶部能被有效曝光；当太大时，则只有胶的顶部能被有效曝光；当太小时，太小时，则由于吸
19、收太少而需要长时间的曝光。则由于吸收太少而需要长时间的曝光。由下式由下式19 当硅片表面凹凸不平时，遇到的第一个问题是硅片表面倾当硅片表面凹凸不平时，遇到的第一个问题是硅片表面倾斜的台阶侧面会将光反射到不希望曝光的区域。第二个问题是斜的台阶侧面会将光反射到不希望曝光的区域。第二个问题是使胶膜的厚度发生变化：在硅片表面凹下处胶膜较厚，导致曝使胶膜的厚度发生变化：在硅片表面凹下处胶膜较厚，导致曝光不足；在硅片表面凸起处胶膜较薄，导致曝光过度。胶膜厚光不足；在硅片表面凸起处胶膜较薄，导致曝光过度。胶膜厚度的不同还会影响对比度。度的不同还会影响对比度。 解决这个问题的办法是表面平坦化。解决这个问题的办
20、法是表面平坦化。 20 8 双层光刻胶技术双层光刻胶技术 随着线条宽度的不断缩小，为了防止胶上图形出现太大的随着线条宽度的不断缩小，为了防止胶上图形出现太大的深宽比，提高对比度，应该采用很薄的光刻胶。但薄胶会遇到深宽比，提高对比度，应该采用很薄的光刻胶。但薄胶会遇到耐蚀性的问题。由此开发出了耐蚀性的问题。由此开发出了 双层光刻胶技术双层光刻胶技术双层光刻胶技术双层光刻胶技术，这也是所谓，这也是所谓 超超超超分辨率技术分辨率技术分辨率技术分辨率技术 的组成部分。的组成部分。21顶层胶：含硅，厚约顶层胶：含硅，厚约 0.25 m 底层胶：也称为干显影胶，厚底层胶：也称为干显影胶，厚约约 0.5 m
21、 对顶层胶曝光显影对顶层胶曝光显影对底层胶作含氧的对底层胶作含氧的 RIE 刻蚀刻蚀 据报导，采用据报导，采用 193 nm 波波长光源，在底层胶上获得了长光源，在底层胶上获得了 0.15 m 0.12 m 宽的线条。宽的线条。22 9 小结小结 本章首先介绍了光刻胶的类型与特性，重点讨论了光刻胶本章首先介绍了光刻胶的类型与特性，重点讨论了光刻胶的灵敏度、分辨率、对比度及其相互关系。通过正胶的典型反的灵敏度、分辨率、对比度及其相互关系。通过正胶的典型反应和势能曲线，说明了光刻胶的光化学反应过程和增感作用。应和势能曲线，说明了光刻胶的光化学反应过程和增感作用。介绍了涉及光刻胶的工艺步骤。最后介绍了双层光刻胶技术。介绍了涉及光刻胶的工艺步骤。最后介绍了双层光刻胶技术。23
